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        立洲水電站調(diào)壓井深厚覆蓋層邊坡治理設(shè)計

        2017-11-15 05:26:50,,
        四川水利 2017年5期
        關(guān)鍵詞:調(diào)壓井覆蓋層安全系數(shù)

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        (中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴陽,550081)

        立洲水電站調(diào)壓井深厚覆蓋層邊坡治理設(shè)計

        韓純杰,賀雙喜,趙繼勇

        (中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴陽,550081)

        立洲水電站位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內(nèi),電站采用混合式開發(fā),開發(fā)任務以發(fā)電為主,電站裝機容量355MW,樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、右岸地下長引水隧洞及右岸地面發(fā)電廠房組成,引水隧洞長16.7km,調(diào)壓井高138.50m,內(nèi)徑21m,頂部開挖直徑達到27.4m。由于地形地質(zhì)條件及廠房位置制約,調(diào)壓井位于廠房西側(cè)山脊上,南側(cè)為龔家溝,北東及東側(cè)為木里河,地形均自然坡度25°~40°,地質(zhì)勘查顯示,調(diào)壓井邊坡覆蓋層較厚,最大厚度達20m~38m,且組成物質(zhì)復雜。施工階段從開挖支護方案、邊坡穩(wěn)定計算分析、施工布置、征地范圍、環(huán)境保護及水土保持、工程不可遇見因素等方面綜合比較,采取“弱卸載+強支護”治理方案,開挖坡比達1∶0.75,邊坡開挖高度由130m降至55m,極大程度的減少了調(diào)壓井邊坡開挖和處理范圍,保證了調(diào)壓井邊坡穩(wěn)定,確保了后期調(diào)壓井井筒施工安全,可為類似深厚覆蓋層調(diào)壓井邊坡處理提供參考。

        深厚覆蓋層 邊坡治理設(shè)計 調(diào)壓井 立洲水電站

        1 工程概況

        立洲水電站系木里河干流水電規(guī)劃“一庫六級”的第六個梯級。水庫正常蓄水位2088.0m,死水位2068.00m,校核洪水位2090.38m,具有不完全年調(diào)節(jié)性能;最大壩高132.0m,電站裝機容量355MW,開發(fā)任務以發(fā)電為主。

        立洲水電站引水隧洞長16.7km,調(diào)壓井布置在引水隧洞末端,位于廠房西側(cè)山脊上,南側(cè)為龔家溝,北東及東側(cè)為木里河;調(diào)壓井區(qū)覆蓋層分布較廣,靠龔家溝一帶偶見基巖露頭。覆蓋層為殘坡積(Qedl)碎石土,厚度20m~38m。下伏基巖為三疊系上統(tǒng)曲嘎寺組(T3q)薄層、極薄層板巖、砂質(zhì)板巖夾砂巖。

        由于立洲電站引水發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模較大,調(diào)壓井施工處于施工關(guān)鍵線路上,調(diào)壓井邊坡開挖支護設(shè)計屬于調(diào)壓井的重要組成部分,因此有必要深入研究其治理措施,選擇安全可靠的設(shè)計方案。

        2 基本資料

        2.1 邊坡分級和設(shè)計安全系數(shù)

        結(jié)合立洲水電站主要建筑物級別劃分情況,調(diào)壓井邊坡按照2級樞紐工程區(qū)邊坡進行設(shè)計,各工況控制安全系數(shù)標準如下:持久工況(天然)安全系數(shù)K=1.20,短暫工況(暴雨)安全系數(shù)K=1.10,偶然工況(地震)安全系數(shù)K=1.05。

        2.2 物理力學參數(shù)

        根據(jù)前期地質(zhì)勘查資料和開挖揭露地質(zhì)情況,調(diào)壓井邊坡土體物理力學參數(shù)建議值見表1。

        表1 調(diào)壓井邊坡土體物理力學參數(shù)建議值

        3 邊坡治理方案設(shè)計

        結(jié)合調(diào)壓井邊坡位置和地形地質(zhì)條件,初步擬定“強卸載+弱支護”治理和“弱卸載+強支護”治理兩個方案并進行比較。通過開挖支護設(shè)計、邊坡穩(wěn)定分析、施工條件、征地范圍、環(huán)境保護等方面綜合對比,選擇較優(yōu)的治理方案。

        3.1 “強卸載+弱支護”治理方案

        從井筒頂高程2150m開挖至高程2170.0m,巖石開挖邊坡為1∶0.5,每隔15m設(shè)一級馬道;高程2170m開挖至高程2200m,開挖邊坡為1∶1;2200.0m以上覆蓋層采用1∶1.5開挖邊坡,每隔15m設(shè)一級馬道,開挖至地面線。開挖邊坡最高約130m。開挖邊坡支護措施:基巖邊坡采用噴錨支護措施,系統(tǒng)錨桿Φ25@3m×3m,L=6m,梅花型布置。覆蓋層邊坡采用混凝土框架護坡+6m錨桿+框格梁草皮支護。經(jīng)復核,邊坡穩(wěn)定計算成果見表2。

        表2 邊坡計算成果

        3.2 “弱卸載+強支護”治理方案

        首先確保施工期臨時穩(wěn)定情況下,盡量選擇較陡開挖坡比,經(jīng)過初步分析,開挖坡比采用1∶0.75,從井筒頂高程2155m起坡,在高程2170.00m、2190.00m設(shè)置3m寬馬道,開挖坡高約55m,開挖邊坡外5m處設(shè)置一道截水溝。邊坡主要采用抗滑樁、錨索、錨桿、混凝土貼坡進行加固處理。邊坡穩(wěn)定計算成果見表3、表4。

        表3 邊坡穩(wěn)定計算成果(開挖后未支護)

        表4 邊坡穩(wěn)定計算成果(開挖支護完成)

        3.3 治理方案選擇

        3.3.1 方案可行性和合理性分析

        “強卸載+弱支護”方案和“弱卸載+強支護”方案邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,“強卸載+弱支護”方案開挖范圍較大,最大坡高超過130m,施工期和運行期不可預見因素較多,“弱卸載+強支護”方案開挖范圍小,最大坡高55m,技術(shù)可行性和合理性較優(yōu)。

        3.3.2 施工方面

        “強卸載+弱支護”方案施工范圍較大,邊坡高而陡,施工難度大,工期較長;“弱卸載+強支護”方案施工范圍較為集中,施工難度相對較小,工期較短。

        3.3.3 征地、環(huán)保及水土保持方面

        “強卸載+弱支護”方案征地范圍約3萬m2,“弱卸載+強支護”方案征地范圍約0.7萬m2,明顯減少?!皬娦遁d+弱支護”方案大面積開挖將對植被和環(huán)境造成嚴重破壞,“弱卸載+強支護”方案明顯減少了開挖范圍、棄渣量,對環(huán)境保護及水土保持明顯有利,簡化了環(huán)境保護及水土保持工程治理措施。

        綜上所述,由于調(diào)壓井邊坡覆蓋層較厚,物質(zhì)組成復雜,“強卸載+弱支護”方案施工期、運行期不可預見因素多,安全風險相對較大,對環(huán)境破壞影響較大,相應可能增加的工程措施較多。因此推薦“弱卸載+強支護”方案。

        3.4 三維有限元計算復核

        為進一步驗證邊坡治理方案的合理性,采用三維有限元法對“弱卸載+強支護”治理方案進行計算分析,有限元模型鉛直向下取至高程1810m,底板以下基巖厚度約200m,鉛直向上延伸至地表;以調(diào)壓井圓心為原點,沿引水隧洞方向向上游取210m,向下游取250m,垂直引水隧洞方向左右兩側(cè)各取140m。X軸:沿引水隧洞方向(上下游側(cè)),方位N56.2°W;Y軸:垂直引水隧洞方向(左右側(cè)),方位N3°E;Z軸:鉛直向。見圖1、圖2。

        圖1 調(diào)壓井三維有限元整體網(wǎng)格

        圖2 調(diào)壓井邊坡有限元網(wǎng)格

        通過三維有限元分析計算,天然工況下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),施工期和運行期高程2155m平臺邊坡和井筒邊坡(高程2146m以上)的點安全系數(shù)均大于1,且有一定富余,見圖3、圖4、圖5。另外,施工期、運行期和地震工況的塑性區(qū)分布范圍都較小,因此,在目前設(shè)計的支護條件下,邊坡的穩(wěn)定是能夠得到保證的。

        圖3 施工工況點安全系數(shù)

        圖4 運行工況點安全系數(shù)

        圖5 地震工況點安全系數(shù)

        3.5 邊坡治理設(shè)計

        根據(jù)邊坡穩(wěn)定計算成果,綜合考慮地表截排水、削坡減載、抗滑樁、錨索等措施對其進行分區(qū)綜合治理。具體分區(qū)支護措施為(見圖6):

        圖6 “弱卸載+強支護”方案計算剖面及分區(qū)支護示意

        (1)高程2215m設(shè)置9根抗滑樁,間距7m,抗滑樁斷面2.5m×3.5m,每根樁頂設(shè)置2根1000kN級預應力錨索,俯角10°;

        (2)A區(qū):C20混凝土框格梁,間排距2.5m,截面40cm×40cm;Φ28自鉆式節(jié)點錨桿,L=9m,間排距2.5m,外露0.3m,垂直坡面布置;掛鋼筋網(wǎng)φ8@20cm×20cm;噴混凝土C20,厚10cm;1000kN預應力錨索,間排距5m,φ50mm排水孔,L=5m,仰角10°,梅花型布置,與錨桿間隔布置,間排距3m;

        (3)B區(qū):C20混凝土護坡,厚度40cm,錨桿Φ25,L=4.5m,Φ28、L=9.0m,間排距3m,外露0.3m,梅花型交錯布置?;鶐r邊坡采用砂漿錨桿(覆蓋層邊坡采用自鉆式錨桿);1000kN預應力錨索,間排距3m~5m,φ50mm排水孔,L=5m,仰角10°,梅花型布置,與錨桿間隔布置,間排距3m;

        (4)C區(qū):C20混凝土護坡,厚50cm;錨桿Φ25、L=4.5m,Φ28、L=9.0m,間排距3m,外露0.3m,梅花型交錯布置?;鶐r邊坡采用砂漿錨桿(覆蓋層邊坡采用自鉆式錨桿);φ50mm排水孔,L=5m,仰角10°,梅花型布置,與錨桿間隔布置,間排距3m;

        (5)D區(qū):C20混凝土框格梁,間排距2.5m,截面40cm×40cm;Φ25自鉆式節(jié)點錨桿,L=4.5m,間排距2.5m,外露0.3m,垂直坡面布置;掛鋼筋網(wǎng)φ8@20cm×20cm,噴混凝土C20,厚10cm;φ50mm排水孔,L=5m,仰角10°,梅花型布置,與錨桿間隔布置,間排距3m。

        3.6 監(jiān)測設(shè)計

        3.6.1 監(jiān)測設(shè)計

        為掌握邊坡變形趨勢,及時發(fā)現(xiàn)異常情況,預防事故發(fā)生,調(diào)壓井邊坡布置了變形和支護監(jiān)測儀器。其中布設(shè)多點位移計6套、測斜孔3套,1000kN的錨索測力計5套、土壓力計6支、鋼筋計10支、錨桿測力計3支。通過采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并分析,可以驗證邊坡治理方案的合理性,及時調(diào)整支護參數(shù),保證施工安全,為工程優(yōu)化設(shè)計和永久安全運行提供支撐數(shù)據(jù)。

        3.6.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

        截至目前,調(diào)壓井邊坡各類監(jiān)測儀器測值變化趨勢穩(wěn)定,未發(fā)現(xiàn)明顯異常;當前,各測縫計(裂縫計)實測開合度介于0.01mm~0.04mm,各部位襯砌與基巖接觸良好,未發(fā)現(xiàn)有明顯的張開現(xiàn)象;邊坡抗滑樁內(nèi)埋設(shè)的鋼筋計實測應力介于12.21kN~30.99kN,結(jié)構(gòu)應力均較小且發(fā)展趨勢平緩;邊坡抗滑樁內(nèi)埋設(shè)的土壓力計當前實測壓力介于0.35MPa~0.13MPa,近期壓力變化過程線發(fā)展趨勢穩(wěn)定;錨索測力計大部分荷載損失率均在10%以內(nèi),處于正常衰減范圍之內(nèi)。

        綜上,調(diào)壓井邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        4 結(jié)語

        立洲電站調(diào)壓井邊坡覆蓋層較厚,組成物質(zhì)復雜。施工階段從開挖支護方案、邊坡穩(wěn)定計算分析、施工布置、征地范圍、環(huán)境保護及水土保持、工程不可遇見因素等方面綜合比較,采取“弱卸載+強支護”治理方案,開挖坡比達1∶0.75,邊坡開挖高度由130m降至55m,極大程度的減少了調(diào)壓井邊坡開挖和處理范圍,保證了調(diào)壓井邊坡施工期穩(wěn)定,為后期井筒施工創(chuàng)造了有利條件。

        TV554.4∶TV732.5

        B

        2095-1809(2017)05-0084-04

        韓純杰(1981-),男,云南昆明人,高級工程師,主要從事水利水電工程設(shè)計工作。

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